JP2013539061A - Bi-directional cylindrically symmetric polarization converter and Cartesian-cylindrical polarization conversion method - Google Patents

Bi-directional cylindrically symmetric polarization converter and Cartesian-cylindrical polarization conversion method Download PDF

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Abstract

本発明は、偏光状態の空間分布を変換するための双方向デカルト−円柱変換器(7)に関し、当該変換器は、直線偏光された、空間的に一様な偏光分布ビームを受け取り、それを、対称軸に関する偏光状態のラジアルまたはアジマス分布を有するビームに変換するラジアル偏光変換器(3)、および前記ラジアル偏光変換器(3)によって引き起こされた位相シフトを補償するための光学手段(6)であって、前記ラジアル偏光変換器(3)によって導入された位相シフトを補償するように空間的に一様な位相シフトを導入することが可能な光学補償手段(6)を備えている。
【選択図】 図5
The present invention relates to a bi-directional Cartesian-cylindrical converter (7) for converting the spatial distribution of polarization states, which converter receives a linearly polarized, spatially uniform polarization distribution beam and converts it. A radial polarization converter (3) for converting into a beam having a radial or azimuth distribution of the polarization state with respect to the axis of symmetry, and optical means (6) for compensating for the phase shift caused by said radial polarization converter (3) The optical compensation means (6) is capable of introducing a spatially uniform phase shift so as to compensate for the phase shift introduced by the radial polarization converter (3).
[Selection] Figure 5

Description

本発明は、光学偏光変換器システムに関する。より詳細に述べれば、本発明は、伝播の第1の向きにおいて、空間的に一様な偏光のビームを光軸に関して円柱対称の偏光状態分布を有するビームに変換するための双方向光学システムであって、前記第1の向きとは反対の伝播の向きにおいて、光軸に関して一般化された円柱対称の偏光状態分布を有するビームを空間的に一様な偏光ビームに変換することが可能な双方向光学システムに関する。本発明のデカルト−円柱偏光変換器は、好ましくは無彩色である。   The present invention relates to an optical polarization converter system. More particularly, the present invention is a bi-directional optical system for converting a spatially uniform polarized beam into a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution with respect to the optical axis in a first direction of propagation. Both of the beams capable of converting a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution generalized with respect to the optical axis into a spatially uniform polarized beam in a direction of propagation opposite to the first direction. TECHNICAL FIELD The Cartesian-cylindrical polarization converter of the present invention is preferably achromatic.

偏光計、楕円偏光計等々といった非常に多くの光学測定デバイスは、光−物質の相互作用において偏光される光の比特性を使用している。科学的計装は、特にレーザ・ソースによって発射される偏光された光、より多くの場合には直線偏光された光を使用する。結像テクニックもまた、偏光された光の特性を使用して画像のコントラストを向上させている。したがって、位相コントラスト顕微鏡または干渉コントラスト顕微鏡は、複屈折エレメントを組み込み、配景の寄与を差し引いて画像のコントラストが向上するように、それぞれが互いに垂直となる偏光状態を有する2つのビームに光ビームを分割し、かつそれらを再結合している。   A large number of optical measurement devices, such as polarimeters, ellipsometers, etc., use the specific property of light that is polarized in the light-matter interaction. Scientific instrumentation particularly uses polarized light emitted by a laser source, more often linearly polarized light. Imaging techniques also use polarized light properties to improve image contrast. Therefore, a phase contrast microscope or interference contrast microscope incorporates a birefringent element and subtracts the contribution of the scene to improve the contrast of the image so that the light beam is split into two beams that have polarization states that are perpendicular to each other. Split and recombine them.

より多くの場合、空間的に均質な偏光の光ビームが使用され、この偏光されたビームは、光源によって直接生成されるか(たとえば、レーザ)、または偏光されない光源と1つまたはいくつかの光学構成要素(偏光器、波長板、偏光回転子・・・)の組み合わせによって生成される。その場合の空間的に均質な偏光状態分布を有するビームについての偏光状態は、ビームの光軸に対して垂直な波平面内におけるデカルト系の2つの直交軸(x,y)を定義するベクトル基底で、それの座標によって記述することが可能である(図1B参照)。   More often, a spatially homogeneously polarized light beam is used, which is either directly generated by the light source (eg, a laser) or unpolarized light source and one or several optics It is generated by a combination of components (polarizer, wave plate, polarization rotator ...). The polarization state for a beam with a spatially homogeneous polarization state distribution in that case is a vector basis defining two Cartesian axes (x, y) in the wave plane perpendicular to the optical axis of the beam. It can be described by its coordinates (see FIG. 1B).

しかしながら、はるかに多くの応用においては、空間的に不均質な偏光された光を使用することが望ましい。この場合においては、ビームの偏光状態が、より多くの場合には回転対称性(たとえばラジアルまたはアジマス偏光)を伴う不均質な偏光状態分布であり、それに対しては、極座標基底(r,φ)の方がより適合する(図1B)。実際、ラジアル偏光ビームの焦点設定が、非偏光ビームの焦点設定の限界直径より低いビーム・サイズへの到達を可能にすることが実証されており、このことは、たとえばマイクロ・リソグラフィにおける主要な進歩を構成する。   However, in much more applications it is desirable to use spatially inhomogeneous polarized light. In this case, the polarization state of the beam is more often a heterogeneous polarization state distribution with rotational symmetry (eg radial or azimuth polarization), for which a polar coordinate basis (r, φ) Is more suitable (FIG. 1B). In fact, it has been demonstrated that the focus setting of a radially polarized beam allows reaching a beam size below the critical diameter of the unpolarized beam focus setting, which is a major advance in microlithography, for example. Configure.

ラジアルまたはアジマス偏光状態分布を有するビームについての関心は、均質な偏光状態分布から不均質な偏光状態分布への変換を可能にする構成要素についての要求を随伴している。   The interest for beams having a radial or azimuth polarization state distribution is accompanied by a need for components that allow conversion from a homogeneous polarization state distribution to an inhomogeneous polarization state distribution.

空間的に一様な直線偏光のビームからラジアルまたはアジマスいずれかの偏光分布を有するビームへの変換を行なう多様な構成要素が開発された。利用可能な構成要素は多様な次のようなテクノロジを基礎としている。   A variety of components have been developed that convert a spatially uniform linearly polarized beam into a beam with either a radial or azimuth polarization distribution. The available components are based on a variety of technologies such as:

− 第1のカテゴリは、入射ビームの偏光を局所的に修正するように軸が角度的に分配された扇形の波長板のアッセンブリから形成された構成要素を備えている。たとえば、特許文献1は、8つの明確に区別される角度のある扇形領域を備えている構成要素について述べている。しかしながら、このタイプの構成要素では、連続的な空間偏光状態分布を得ることが可能にならない。   The first category comprises components formed from fan-shaped wave plate assemblies whose axes are angularly distributed so as to locally modify the polarization of the incident beam; For example, U.S. Patent No. 6,057,089 describes a component that has eight distinct sectoral sector areas. However, this type of component does not make it possible to obtain a continuous spatial polarization state distribution.

− 第2のカテゴリは、特許文献2または非特許文献1の発表内容の中で述べられているような回折格子パターンの組み合わせに基づく光学構成要素を含む。   The second category includes optical components based on combinations of diffraction grating patterns as described in the publications of US Pat.

− 最後は、液晶に基づいた構成要素が挙げられる。非特許文献2の発表内容は、液晶セルに基づいたラジアルおよびアジマス偏光変換器を述べており、これは、直線偏光された空間的に一様な光ビームを、入射直線偏光の向きが液晶セルの整列の軸と平行であるか、または垂直であるかに従ってラジアルまたはアジマス偏光いずれかの光ビームに変換することを可能にする。非特許文献3の発表内容は、それと同じ特性を有する構成要素を述べている。   -Finally, mention is made of components based on liquid crystals. The non-patent document 2 describes a radial and azimuth polarization converter based on a liquid crystal cell, which uses a linearly polarized spatially uniform light beam and the direction of incident linearly polarized light in a liquid crystal cell. Can be converted into either a radial or azimuth polarized light beam depending on whether it is parallel or perpendicular to the alignment axis. The contents of the non-patent document 3 describe components having the same characteristics.

ストールダー(Stalder)およびシャット(Schadt)(非特許文献2)の発表内容は、特に、2つの主要な液晶層を備えている液晶セルについて述べており、それにおいて第1の層の液晶は互いに対して平行に整列されるように向き付けされ、第2の層の液晶は同心円内に配置される(図1A参照)。それらの両端の層の間に位置する中間の液晶が、それら2つの最終状態の間を漸進的に回転する(図1B参照)。コ(Ko)ほか(非特許文献3)の発表内容においては、第2の液晶の層が放射状に向けられている。   The contents of Stallder and Schadt (Non-Patent Document 2) describe in particular a liquid crystal cell comprising two main liquid crystal layers, in which the liquid crystals of the first layer are mutually connected. The liquid crystals of the second layer are arranged in concentric circles (see FIG. 1A). The intermediate liquid crystal located between the layers on both ends gradually rotates between the two final states (see FIG. 1B). In the contents of the publication by Ko et al. (Non-patent Document 3), the second liquid crystal layer is directed radially.

液晶構成要素は、どちらかというと容易に、多様な構成でそれらを作ることが可能であるという利点を提供する。概して言えば、光学液晶構成要素は、「ラビング」およびフォト−アライメント・テクニックによって作られる。   Liquid crystal components provide the advantage that they can be made rather easily in a variety of configurations. Generally speaking, optical liquid crystal components are made by “rubbing” and photo-alignment techniques.

しかしながら、多様な既存の偏光変換器が、入射ビームが直線偏光されており、変換器の固有軸に対して平行または垂直のいずれかに整列されているという特定の条件についての偏光変換を実行することにここで注意することが重要である。変換器の2つの固有軸のいずれか1つに対して平行な直線偏光状態は、実際、極基底への変換の後に、ラジアルまたはアジマスいずれかの偏光分布を与える。   However, various existing polarization converters perform polarization conversion for specific conditions where the incident beam is linearly polarized and aligned either parallel or perpendicular to the natural axis of the converter. It is important to note here. A linear polarization state parallel to either one of the two natural axes of the transducer actually gives a polarization distribution of either radial or azimuth after conversion to the polar base.

空間的に不均質な、特に円柱対称性に従って空間的に分布された偏光状態分布を有するビームの使用は、偏光されたビームが、光学特性が回転対称である光学システム(たとえば光学レンズ、顕微鏡の対物鏡、または光ファイバ)に結合されたときに特に興味深い。実際、均質(たとえば、直線)偏光された光の平面波ビームが理想的なレンズ4を、それの光軸10に従って照明するというケースでは、結像焦平面内に形成される像点を、幾何学的光学系において、入射角θを伴う光線および入射平面のアジマスφのセットによって記述することが可能である(図2参照)。しかしながら、光軸10に関するレンズ4の回転対称性から、ビームの偏光状態分布が、レンズ4の通過および標本5における反射の両方によって変更され、その結果、入射および反射ビームの偏光状態が、レンズ4の通過の瞬間から入射平面に依存するようになる。これに対し、焦点レンズ4の光軸10上に中心設定されているラジアルまたはアジマスいずれかの偏光分布を有するビームは、それの偏光ベクトル分布を、焦点レンズ4への結合によって擾乱させない。円柱幾何学において、各アジマス平面は、レンズを通過する間にわたってまったく等しい。レンズ4を通過した後の偏光状態分布は、それぞれ、ラジアル偏光分布のまま、またはアジマス偏光分布のまま残る。ラジアルまたはアジマスいずれかの偏光状態分布は、したがって、焦点レンズ4による影響を受けないという利点を有する。   The use of a beam that is spatially inhomogeneous, in particular a beam with a polarization distribution that is spatially distributed according to cylindrical symmetry, is that an optical system in which the polarized beam is rotationally symmetric in optical properties (eg optical lenses, microscopes) Of particular interest when coupled to an objective mirror or optical fiber. In fact, in the case where a plane wave beam of homogeneously (eg, linearly) polarized light illuminates the ideal lens 4 according to its optical axis 10, the image points formed in the imaging focal plane are geometrically In a typical optical system, it can be described by a set of rays with incident angle θ and azimuth φ of the incident plane (see FIG. 2). However, due to the rotational symmetry of the lens 4 with respect to the optical axis 10, the polarization state distribution of the beam is altered both by the passage of the lens 4 and by the reflection at the sample 5, so that the polarization state of the incident and reflected beam is the lens 4. It depends on the incident plane from the moment of passing. In contrast, a beam having either a radial or azimuth polarization distribution centered on the optical axis 10 of the focal lens 4 does not disturb its polarization vector distribution by coupling to the focal lens 4. In cylindrical geometry, each azimuth plane is exactly the same across the lens. The polarization state distribution after passing through the lens 4 remains as a radial polarization distribution or an azimuth polarization distribution, respectively. The polarization state distribution of either radial or azimuth therefore has the advantage that it is not affected by the focus lens 4.

しかしながら、これまでに示した偏光変換器システムは、特定の空間偏光分布のみの獲得を可能にし、特定の使用条件においてのみ動作し、変換器の軸に従って向けられた一様な直線偏光ビームからラジアルまたはアジマスいずれかの偏光分布を獲得することが可能である。   However, the polarization converter systems shown so far only allow acquisition of a specific spatial polarization distribution, operate only in specific use conditions and are radial from a uniform linearly polarized beam directed along the converter axis. It is possible to obtain a polarization distribution of either azimuth or azimuth.

これに対し、空間分布が一様な楕円偏光状態を有するビームから、先行技術によるラジアル偏光変換器は、概して、円柱対称偏光状態分布を有するビームを生成するが、その偏光状態はすでに初期の楕円状態にない。それに加えて、出力から得られる円柱対称偏光状態は、波長への大きな依存も有する。デカルト座標から極座標への、あるいはその逆を行なう全体的な偏光状態基底、基底変更、または全単射のための操作を可能にする構成要素はまったく存在しない。   In contrast, from a beam having an elliptical polarization state with a uniform spatial distribution, prior art radial polarization converters generally generate a beam with a cylindrically symmetric polarization state distribution, which polarization state is already in the initial elliptical state. Not in state. In addition, the cylindrically symmetric polarization state obtained from the output also has a large dependence on wavelength. There are no components that allow operations for an overall polarization state basis, basis change, or bijection to do Cartesian coordinates to polar coordinates or vice versa.

非一様分布の偏光ビームの技術分野においては、特に、円柱対称タイプの偏光状態分布を有する偏光ビーム(円柱ベクトル・ビームまたはCVビーム)についてここでは論じる。ラジアルまたはアジマス偏光ビームは、いずれも円柱対称ビームの特定のケースであり、それにおいては、偏光状態が線形となり、かつ偏光軸が、ビームの光軸に対してラジアル方向またはアジマス方向のいずれかに分布される。円柱対称の偏光状態分布を有するビームは、そのほかにも存在する。第1には、偏光軸が局所的なラジアル軸に対して一定の角度を有する直線偏光ビームがある。その種のビームは、たとえば、2つの成分pおよびsの間における、位相シフトを伴うことのない線形の組み合わせによって獲得される。円柱対称楕円偏光ビームもまたそれに含まれ、偏光分布が空間的に一様な楕円度の偏光状態を包含し、その楕円軸は、局所的なラジアル角度に対して一定の角度で傾斜される。   In the technical field of non-uniformly distributed polarized beams, in particular, polarized beams (cylindrical vector beams or CV beams) having a cylindrically symmetric type polarization state distribution are discussed herein. Radial or azimuth polarized beams are both specific cases of cylindrically symmetric beams, where the polarization state is linear and the polarization axis is either in the radial or azimuth direction relative to the optical axis of the beam. Distributed. There are other beams having a cylindrically symmetric polarization state distribution. First, there is a linearly polarized beam whose polarization axis has a constant angle with respect to the local radial axis. Such a beam is obtained, for example, by a linear combination without phase shift between the two components p and s. A cylindrically symmetric elliptically polarized beam is also included, which includes an elliptical polarization state where the polarization distribution is spatially uniform, whose elliptical axis is tilted at a constant angle with respect to the local radial angle.

一般化された円柱対称偏光ビームは、ラジアル偏光ないしアジマス偏光のいずれにも限定されない円柱対称偏光状態分布を有するビームである。   A generalized cylindrically symmetric polarized beam is a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution that is not limited to either radial polarization or azimuth polarization.

一様な偏光状態分布を有するビームから、一般化された円柱対称性を伴う何らかの偏光状態の分布(CVビーム)を生成する能力のある偏光変換器はまったく存在しない。逆を言えば、一般化された円柱対称偏光のビームの受け取りおよびそれの空間的に一様な偏光のビームへの変換が可能な偏光変換器はまったく存在しない。   There is no polarization converter capable of generating any polarization state distribution (CV beam) with generalized cylindrical symmetry from a beam having a uniform polarization state distribution. Conversely, there is no polarization converter capable of receiving a generalized cylindrically symmetric polarization beam and converting it to a spatially uniform polarization beam.

米国特許出願公開第2007/0115551号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0115551 米国特許第7,570,427B1号明細書US Pat. No. 7,570,427 B1

M.ラーマン(M.Lerman)およびU.レビィ(U.Levy)著「ジェネレーション・オブ・ア・ラディアリィ・ポーラライズド・ライト・ビーム・ユージング・スペース−バリアント・サブウェーブレングス・グレーティングズ・アット・1064 nm(Generation of a radially polarized light beam using space−variant subwavelength gratings at 1064 nm)」オプティクス・レターズ33(Optics Letters 33)、第23号、pp2783−2784、2008年M.M. M. Lerman and U.S. “Generation of a Radially Polarized Beam Spacing” by L. Levy (Generation of a Radially Polarized Light Beam Using Space-Variant Subwavelength Gratings at 1064 nm variant subwavelengths at 1064 nm) "Optics Letters 33, No. 23, pp 2783-2784, 2008. M.ストールダー(M.Stalder)およびM.シャット(M.Schadt)著「リニアリィ・ポーラライズド・ライト・ウィズ・アキシャル・シンメトリィ・ジェネレーテッド・バイ・リキッド−クリスタル・ポーラリゼーション・コンバーターズ(Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid−crystal polarization converters)」オプティクス・レターズ(Optics Letters)、第21巻、第23号、pp1948−1950、1996年M.M. Staller and M.S. “Mr. Schadt”, “Linearly Polarized Light with Axial Symmetrically Generated by Liquid-Crystal Polarization Converters” Optics Letters, Vol. 21, No. 23, pp 1948-1950, 1996. S−Wコ(S−W Ko)、C.ティング(C.Ting)、A.フー(A.Fuh)およびT.リン(T.Lin)著「ポーラリゼーション・コンバーターズ・ベースド・オン・アキシャリィ・シンメトリック・ツイステッド・ネマティック・リキッド・クリスタル(Polarization converters based on axially symmetric twisted nematic liquid crystal)」オプティクス・エクスプレス(Optics express)18、p3601、2010年S-W Ko (S-W Ko), C.I. C. Ting, A.C. A. Fuh and T.W. "Polarization converters based on axially twisted nematic liquid optic" by T.Lin. "Polarization converters based on axially symmetrical twisted nematic liquid crystal" ) 18, p3601, 2010

本発明は、これらの欠点を改善することをねらいとし、より詳細に述べれば、双方向デカルト−円柱空間偏光状態分布変換器に関し、前記デカルト−円柱変換器は、伝播の第1の向きにおいて、一様な空間偏光状態分布を有するビームを一般化された円柱対称空間偏光状態分布を有するビームに変換する能力を有し、かつ伝播の第2の向きにおいて、一般化された円柱対称空間偏光状態分布を有するビームを一様な空間偏光状態分布を有するビームに変換する能力を有する。   The present invention aims to remedy these drawbacks and, more particularly, relates to a bidirectional Cartesian to cylindrical spatial polarization state distribution converter, said Cartesian to cylindrical converter being in a first direction of propagation, The ability to convert a beam having a uniform spatial polarization state distribution into a beam having a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state distribution, and in a second direction of propagation, a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state Ability to convert a beam having a distribution into a beam having a uniform spatial polarization state distribution.

本発明によれば、デカルト−円柱変換器が、
− 対称軸を有するラジアルおよびアジマス偏光変換器であって、空間的に一様な偏光分布の直線偏光ビームを受け取り、それを、ラジアルまたはアジマス対称の偏光分布を有するビームに変換することが可能なラジアルおよびアジマス偏光変換器と、
− 前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器によって引き起こされた位相差を補償するための光学手段であって、前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器によって導入された位相シフトχの大きさを補償するように、−χに等しい大きさの空間的に一様な位相シフトを導入することが可能な光学補償手段と、を備えている。
According to the present invention, a Cartesian to cylindrical converter is
-A radial and azimuth polarization converter with an axis of symmetry capable of receiving a linearly polarized beam with a spatially uniform polarization distribution and converting it into a beam with a radial or azimuth symmetric polarization distribution Radial and azimuth polarization converters;
An optical means for compensating for the phase difference caused by the radial and azimuth polarization converter, so as to compensate for the magnitude of the phase shift χ introduced by the radial and azimuth polarization converter, And an optical compensation means capable of introducing a spatially uniform phase shift having a magnitude equal to.

本発明の好ましい実施態様によれば、
− ラジアルおよびアジマス偏光変換器が、第1のデカルト対称面および第2の円柱対称面を備え、偏光の固有軸を有する前記光学補償手段が、ラジアルおよびアジマス偏光変換器の前記デカルト面の側に配され、光学補償手段の固有軸が前記デカルト面の固有軸について整列され、
− ラジアルおよびアジマス偏光変換器が、液晶のレクティリニア整列を伴う第1の面および同心円での液晶の整列を伴う第2の面を有する液晶変換器を備え、
− 光学補償手段が、2つの固有軸を伴う複屈折板を備え、前記複屈折板が、それの固有軸に従って向き付けされた直線偏光の間の位相差を導入することが可能であり、前記複屈折板が、前記ラジアルおよびアジマス変換器の第1のデカルト面の側に配される。
According to a preferred embodiment of the present invention,
The radial and azimuth polarization converter comprises a first Cartesian plane of symmetry and a second cylindrical plane of symmetry, and the optical compensation means having the natural axis of polarization is on the side of the Cartesian plane of the radial and azimuth polarization converter And the natural axis of the optical compensation means is aligned with the natural axis of the Cartesian surface,
The radial and azimuth polarization converter comprises a liquid crystal converter having a first surface with a rectilinear alignment of the liquid crystal and a second surface with a concentric liquid crystal alignment;
The optical compensation means comprises a birefringent plate with two natural axes, the birefringent plate being able to introduce a phase difference between linearly polarized light oriented according to its natural axis, A birefringent plate is disposed on the first Cartesian side of the radial and azimuth transducer.

本発明の実施態様の多様な側面によれば、
− 複屈折板が、波長範囲にわたってこのデカルト−円柱偏光変換器を無彩色とするように、前記波長範囲にわたってラジアルおよびアジマス偏光変換器の位相差を補償することが可能な厚さを有し、
− 光学補償手段が液晶セルを備えている。
According to various aspects of embodiments of the present invention,
The birefringent plate has a thickness capable of compensating for the phase difference of the radial and azimuth polarization converter over said wavelength range, so that this Cartesian-cylindrical polarization converter is achromatic over the wavelength range;
The optical compensation means comprises a liquid crystal cell;

本発明は、本発明の実施態様に従ったデカルト−円柱偏光変換器を備えている光学システムにも関し、本発明の多様な態様によれば、さらに、
− 少なくとも1つの偏光ビーム分割フィルタを備え、
− ラジアル偏光変換器の対称軸上に中心設定される少なくとも1つの光学レンズであって、ラジアル変換器の円柱面の側に配されるレンズを備えている。
The invention also relates to an optical system comprising a Cartesian to cylindrical polarization converter according to an embodiment of the invention, according to various aspects of the invention,
-Comprising at least one polarizing beam splitting filter;
At least one optical lens centered on the axis of symmetry of the radial polarization converter, comprising a lens arranged on the cylindrical surface side of the radial converter;

また本発明は、先行する実施態様の1つに従ったデカルト−円柱偏光変換器および顕微鏡上において固定されるべく適合された機械的な取り付け具を備えているデカルト−円柱偏光状態変換器顕微鏡対物鏡にも関する。   The present invention also provides a Cartesian-cylinder polarization state converter microscope objective comprising a Cartesian-cylinder polarization converter according to one of the preceding embodiments and a mechanical fixture adapted to be fixed on the microscope. Also related to mirrors.

最後に、本発明は、ラジアルおよびアジマス偏光変換器、および前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器によって引き起こされたラジアルとアジマスの偏光の間における位相差を補償するための光学手段であって、前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器によって導入された位相シフトχの大きさを補償するように、−χに等しい大きさの空間的に一様な位相シフトを導入することが可能な光学補償手段を使用して、伝播の第1の向きにおいて、一様な空間偏光状態分布を有するビームを、同じ偏光状態の一般化された円柱対称の空間分布を有するビームに変換するか、かつ/または伝播の第2の向きにおいて、一般化された円柱対称の空間偏光状態分布を有するビームを同じ偏光状態を伴う一様な空間分布を有するビームに変換する、デカルト−円柱偏光変換の方法にも関する。   Finally, the present invention provides a radial and azimuth polarization converter, and optical means for compensating for the phase difference between the radial and azimuth polarization caused by the radial and azimuth polarization converter, the radial and azimuth polarization converter comprising: Using optical compensation means capable of introducing a spatially uniform phase shift with a magnitude equal to -χ to compensate for the magnitude of the phase shift χ introduced by the azimuth polarization converter, In a first direction of propagation, a beam having a uniform spatial polarization state distribution is converted into a beam having a generalized cylindrically symmetric spatial distribution of the same polarization state and / or a second direction of propagation Transforms a beam with a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state distribution into a beam with a uniform spatial distribution with the same polarization state. It also relates to a method of to-cylinder polarization conversion.

本発明は、空間分解楕円偏光法、マイクロ楕円偏光法、楕円偏光コントラスト顕微鏡法、視野コントラスト顕微鏡法、または偏光顕微鏡法の分野において特に有利な応用を見出すことになろう。   The invention will find particularly advantageous applications in the field of spatially resolved ellipsometry, micro ellipsometry, ellipsometry contrast microscopy, field contrast microscopy, or polarization microscopy.

本発明はまた、以下の説明によって明らかにされる特徴にも関係し、それらは単独で、または技術的に可能なそれらの任意の組み合わせのいずれにおいても考慮されることになる。   The present invention also relates to features that will become apparent from the following description, which will be considered either alone or in any combination thereof that is technically possible.

この説明は、非限定的な例として与えられ、以下に挙げる添付図面の参照とともに、どのようにすれば本発明を実装することが可能であるかについてのより良好な理解を可能にする。   This description is given by way of non-limiting example and, together with reference to the accompanying drawings listed below, allows a better understanding of how the present invention can be implemented.

先行技術によるラジアルおよびアジマス変換器の分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a radial and azimuth transducer according to the prior art. FIG. デカルトおよび円柱システムにおける偏光状態基底の表現を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the expression of the polarization state base in a Cartesian and cylindrical system. 対物鏡の二重通過および標本上における反射後の偏光ビームの伝播の原理の概要を略図的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed schematically the outline | summary of the principle of propagation | transmission of the polarized beam after the double passage of an objective mirror and the reflection on a sample. 多様な偏光状態に対するラジアルおよびアジマス偏光変換器の効果を略図的に示した平面図である。It is the top view which showed schematically the effect of the radial and azimuth polarization converter with respect to various polarization states. 多様な偏光状態に対する本発明による偏光変換器の効果を略図的に示した平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing the effect of the polarization converter according to the present invention on various polarization states. 本発明の実施態様による光学偏光変換器システムを略図的に示した斜視図である。1 is a perspective view schematically illustrating an optical polarization converter system according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施態様による偏光変換器システムを統合した顕微鏡の対物鏡を略図的に示した断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing an objective mirror of a microscope integrated with a polarization converter system according to an embodiment of the present invention. ラジアルおよびアジマス変換器によって導入される位相シフトを示した測定値のグラフおよび複屈折補償板の位相シフトのグラフである。FIG. 6 is a graph of measured values showing phase shift introduced by radial and azimuth converters and a graph of phase shift of a birefringence compensator. 残留位相シフトを波長の関数として示したグラフである。3 is a graph showing residual phase shift as a function of wavelength.

たとえば、ストールダー(Stalder)およびシャット(Schadt)によって述べられた原理に従った、図1Aに略図的に示されているラジアルおよびアジマス偏光変換器の動作について最初に分析する。その種のラジアル偏光変換器3は、液晶が光軸に対して横行する軸に従って整列されている面3aおよび液晶が光軸上に中心設定される中心Oの同心円に従って整列されている面3bを有する液晶の層を伴うセルを使用する。しかしながらラジアル変換器3の液晶セルは、変換器の固有軸(通常屈折軸nおよび異常屈折軸n)に従って整列された2つの偏光の間に光路差を導入することによって複屈折を生み出す。この光路差の値は、位相差とも呼ばれており、差Δn=n−nと通過液晶の層の厚さdの積である。この光路差が、変換器の固有軸に従って整列された2つの偏光の間に位相シフトχを導入し、それ自体は波長λに依存する。位相シフトχは、次の型どおりの公式によって与えられる。 For example, the operation of the radial and azimuth polarization converter shown schematically in FIG. 1A, according to the principles set forth by Stallder and Schadt, is first analyzed. Such a radial polarization converter 3 has a plane 3a in which the liquid crystal is aligned according to an axis transverse to the optical axis and a plane 3b in which the liquid crystal is aligned according to a concentric circle centered on the optical axis. A cell with a layer of liquid crystal is used. However, the liquid crystal cell of the radial converter 3 creates birefringence by introducing an optical path difference between two polarizations aligned according to the natural axis of the converter (usually the refraction axis n o and the extraordinary refraction axis n e ). The value of the optical path difference, also called phase difference, which is the product of the thickness d of the difference Δn = n e -n o and passes the liquid crystal layer. This optical path difference introduces a phase shift χ between the two polarizations aligned according to the natural axis of the transducer, which itself depends on the wavelength λ. The phase shift χ is given by the following formal formula:

Figure 2013539061
Figure 2013539061

図1Bは、デカルトおよび円柱システムにおける偏光状態基底の表現を示している。これは、このシステムにおける2つの両端の層の間の結晶の配向の、それらの分布に従った表現を示す。ラジアル偏光変換器3を通過する効果は、ストールダー(Stalder)およびシャット(Schadt)の発表の中で述べられているような構成要素を通じ、ジョーンズ伝達行列の形で表現することができる。初期偏光状態および最終偏光状態を基底(x,y)において表現することによって、このジョーンズ行列は、次のように書くことができる。   FIG. 1B shows a representation of the polarization state basis in a Cartesian and cylindrical system. This represents a representation according to their distribution of crystal orientation between the two end layers in this system. The effect of passing through the radial polarization converter 3 can be expressed in the form of a Jones transfer matrix through components as described in the Stallder and Schadt announcement. By representing the initial and final polarization states in the basis (x, y), this Jones matrix can be written as:

Figure 2013539061
Figure 2013539061

初期偏光状態を基底(x,y)において表現し、かつ最終偏光状態を円柱基底において表現することによって、このジョーンズ行列は、次のように書くことができる。   By expressing the initial polarization state in the basis (x, y) and the final polarization state in the cylindrical basis, this Jones matrix can be written as:

Figure 2013539061
Figure 2013539061

したがって、構成要素の通過に起因する位相シフトχが現われる。   Therefore, a phase shift χ due to the passage of the component appears.

図3は、「デカルト」面3aから「円柱」面3bへ向かう伝播の向きにおける多様な偏光状態に対するラジアルおよびアジマス偏光変換器の効果を略図的に示している。   FIG. 3 schematically shows the effect of a radial and azimuth polarization converter on various polarization states in the direction of propagation from the “Cartesian” surface 3a to the “cylindrical” surface 3b.

図3Aは、ラジアル変換器を通過する効果を、直線偏光され、かつ入力面3aの固有軸と平行に整列された入射ビームについて示しており、この入射ビームは、一様な空間偏光状態分布を有する(垂直の矢印によって変換器の左側に図式的に表現されている)。「円柱」面側となるラジアル変換器3の出力においては、図3Zの、直線偏光され、かつ空間偏光状態分布がラジアル状のビーム(変換器の右側に図式的に表現されている)が得られる。   FIG. 3A shows the effect of passing through a radial converter for an incident beam that is linearly polarized and aligned parallel to the natural axis of the input surface 3a, which has a uniform spatial polarization state distribution. (Represented schematically on the left side of the transducer by a vertical arrow). At the output of the radial converter 3 on the “cylindrical” surface side, the linearly polarized and spatial polarization state distribution of FIG. 3Z is obtained (represented schematically on the right side of the converter). It is done.

図3Bは、直線偏光され、かつ入力面3aの固有軸に対して垂直に整列された入射ビームの変換を示しており、この入射ビームは、一様な空間偏光状態分布を有する(水平の矢印によって変換器の左側に図式的に表現されている)。「円柱」面側となるラジアル変換器3の出力においては、図3Yの、直線偏光され、かつ空間偏光状態分布がアジマス方向となるビームが得られる。   FIG. 3B shows the transformation of an incident beam that is linearly polarized and aligned perpendicular to the natural axis of the input surface 3a, which has a uniform spatial polarization state distribution (horizontal arrows). Is schematically represented on the left side of the transducer). At the output of the radial converter 3 on the “cylindrical” plane side, the linearly polarized beam shown in FIG. 3Y and having a spatial polarization state distribution in the azimuth direction is obtained.

図3Cは、直線偏光され、かつラジアル変換器の入力面3aの固有軸に対して傾斜された入射ビームの変換を図式的に示している(すなわち、平行(図3A)および垂直(図3B)偏光の線形結合)。「円柱」面側となるラジアル変換器3の出力においては、図3Xの、直線偏光ではなく、楕円偏光されたビーム(ラジアル変換器3によって引き起こされる位相シフトに起因する)が得られる。図3Cのビームの、ラジアル変換器の出力における分布は、回転対称性を有している。したがってそれは、円柱回転対称性を伴う偏光ビーム(CVビーム)である。   FIG. 3C schematically illustrates the conversion of an incident beam that is linearly polarized and tilted with respect to the natural axis of the input face 3a of the radial converter (ie parallel (FIG. 3A) and perpendicular (FIG. 3B)). Linear combination of polarization). At the output of the radial converter 3 on the “cylindrical” plane side, an elliptically polarized beam (due to the phase shift caused by the radial converter 3), not linearly polarized light, of FIG. 3X is obtained. The distribution of the beam of FIG. 3C at the output of the radial converter has rotational symmetry. It is therefore a polarized beam (CV beam) with cylindrical rotational symmetry.

図3Dは、円偏光入射ビームの変換を図式的に示している。「円柱」面側となるラジアル変換器3の出力においては、図3Wの、円偏光ではなく、ラジアル変換器3によって引き起こされる位相シフトに起因する楕円偏光されたビームが得られる。   FIG. 3D schematically shows the conversion of the circularly polarized incident beam. At the output of the radial converter 3 on the “cylindrical” plane side, the elliptically polarized beam resulting from the phase shift caused by the radial converter 3 is obtained, not the circularly polarized light of FIG. 3W.

本発明における最初の観察は、ラジアルおよびアジマス変換器が、ラジアル変換器3の固有軸に対して平行または垂直のいずれかとなる直線偏光状態についてのみ、偏光状態を維持するということである。   The first observation in the present invention is that the radial and azimuth transducers maintain the polarization state only for linear polarization states that are either parallel or perpendicular to the natural axis of the radial transducer 3.

本発明は、デカルト系における偏光状態から極座標系における同一の偏光状態への切り換えが、入射ビームの偏光状態がどのようであっても完全に動作することを可能にする光学システムを提案する。   The present invention proposes an optical system that allows the switching from a polarization state in a Cartesian system to the same polarization state in a polar coordinate system to be fully operational whatever the polarization state of the incident beam.

第1の実施態様によれば、本発明の光学偏光変換器システム7が、補償手段と結合されたラジアル偏光変換器3を備え、補償手段は、前記ラジアル偏光変換器3によって導入される位相シフトχとは実質的に反対の位相シフトχ’を導入し、言い換えると、χ+χ’≒0である。   According to a first embodiment, the optical polarization converter system 7 of the present invention comprises a radial polarization converter 3 combined with compensation means, the compensation means introduced by the radial polarization converter 3. A phase shift χ ′ substantially opposite to χ is introduced, in other words χ + χ′≈0.

初期偏光状態および最終偏光状態を基底(x,y)において表現することによって、本発明に従った変換器のジョーンズ行列は次のとおりに記述される。   By expressing the initial and final polarization states in the basis (x, y), the Jones matrix of the converter according to the invention is described as follows:

Figure 2013539061
Figure 2013539061

初期偏光状態を基底(x,y)において表現し、かつ最終偏光状態を円柱基底において表現することによって、このジョーンズ行列は、次のように書くことができる。   By expressing the initial polarization state in the basis (x, y) and the final polarization state in the cylindrical basis, this Jones matrix can be written as:

Figure 2013539061
Figure 2013539061

図5は、本発明の好ましい実施態様に従った偏光変換器システムを示している。光学偏光変換器システム7は、位相シフトを補償するための手段および、光軸10上に中心設定されたラジアル偏光変換器3を備えている。位相シフト補償手段は、一様な偏光ビーム8の側であり、かつラジアルおよびアジマス変換器3の「デカルト」面3aの側のラジアル偏光変換器3の正面に配置される波長板6を備えている。波長板6は、固定波長板とするか、または偏光変換のために必要な材料および厚さの選択によって位相差Δn×dが適切に計算されたいわゆる多次波長板としてもよく、あるいはそれを、ラジアル偏光変換器3とまったく等しい液晶の層であって、直線的に向けられた2つの面の間に波長板の液晶が配される液晶の層からなるとしてもよい。波長板6の液晶の層の向きは、その場合に、ラジアル変換器3の面3aのそれと垂直となるように選択され、それ自体のための液晶は互いに平行である(図5参照)。この方法においては、液晶セルの異常および通常固有軸が、それに続く液晶セルの中で入れ替えられる。   FIG. 5 illustrates a polarization converter system according to a preferred embodiment of the present invention. The optical polarization converter system 7 comprises means for compensating for the phase shift and a radial polarization converter 3 centered on the optical axis 10. The phase shift compensation means comprises a wave plate 6 which is arranged in front of the radial polarization converter 3 on the side of the uniform polarization beam 8 and on the “Cartesian” surface 3a side of the radial and azimuth converter 3. Yes. The wave plate 6 may be a fixed wave plate, or may be a so-called multi-order wave plate in which the phase difference Δn × d is appropriately calculated by selection of materials and thickness necessary for polarization conversion, or The liquid crystal layer may be a liquid crystal layer that is exactly the same as the radial polarization converter 3 and in which the liquid crystal of the wave plate is disposed between two linearly oriented surfaces. The orientation of the liquid crystal layer of the wave plate 6 is then selected to be perpendicular to that of the surface 3a of the radial converter 3, and the liquid crystals for themselves are parallel to each other (see FIG. 5). In this method, the abnormalities and the normal axis of the liquid crystal cell are replaced in the subsequent liquid crystal cell.

周知のラジアルおよびアジマス液晶変換器には、この変換器の半分を覆う波長板が備えられることがある。この補償板は、ユーザによって選択された動作波長をλとするとき、それの値をλ/2に固定することが可能となるように調整可能な位相差を一般に有する。その種の波長板は、偏光状態の向きを、それの方向を変更することなく変更する機能を示す。確かに、出力において生み出されるラジアルまたはアジマス偏光状態の放射は、成分の各半分にわたって一定であるが、それらの半分のそれぞれの間は角度πだけ異なる位相状態を有することが観察される。その種の「半円柱対称」位相分布は、特定の応用において有害なものとなり得る。円柱対称の位相分布を獲得するために、λ/2の位相差を有する補償波長板を追加することが知られている。その種の補償板(λ/2板と呼ばれている)は、同一のポイント内においてそれを通過する偏光の多様な成分の間において、ラジアル変換器によって導入される位相差を補償する効果を決して示さない。ここで、一方では、その介挿において介入する波長板がラジアルおよびアジマス変換器の半分ではなく全表面を覆うこと、および他方では、ここで述べている例においてそれが、λ/2よりはるかに高い(さらには、5λ/2さえも超える)位相差を有していることを強調したい。   Known radial and azimuth liquid crystal converters may be equipped with a wave plate covering half of the converter. This compensator generally has a phase difference that can be adjusted such that when the operating wavelength selected by the user is λ, its value can be fixed at λ / 2. Such a wave plate exhibits the function of changing the direction of the polarization state without changing its direction. Indeed, it is observed that the radial or azimuth polarization state radiation produced at the output is constant over each half of the components, but each of those halves has a phase state that differs by an angle π. Such a “semi-cylindrical” phase distribution can be detrimental in certain applications. In order to obtain a cylindrically symmetric phase distribution, it is known to add a compensation wave plate having a phase difference of λ / 2. Such a compensator (referred to as a λ / 2 plate) has the effect of compensating for the phase difference introduced by the radial converter between the various components of polarized light passing through it within the same point. Never show. Here, on the one hand, the waveplate intervening in the interpolation covers the entire surface, not half of the radial and azimuth transducers, and on the other hand, in the example described here it is much more than λ / 2 I want to emphasize that it has a high (and even more than 5λ / 2) phase difference.

それどころか本発明によれば、板6によって導入される位相差は、該板の遅相軸とそれの進相軸の間において、ラジアルおよびアジマス変換器によって追加される位相差Δn×dに等しい光路差を導入するように選択される。それに加えて、板6の向きは、それの遅相軸がラジアルおよびアジマス変換器の進相軸と一致するように選択され、その結果、波長板6およびラジアルおよびアジマス変換器3を通過する光線について、偏光の間の光路差が互いを補償することになる。このように、波長板6の通過が、波長のそれぞれについて、ラジアル偏光変換器によって導入される位相シフトを補償する位相シフトを導入する。   On the contrary, according to the invention, the phase difference introduced by the plate 6 is equal to the optical path between the slow axis of the plate and its fast axis equal to the phase difference Δn × d added by the radial and azimuth converters. Selected to introduce the difference. In addition, the orientation of the plate 6 is selected so that its slow axis coincides with the fast axis of the radial and azimuth converter, so that the rays passing through the wave plate 6 and the radial and azimuth converter 3 The optical path difference between the polarizations will compensate each other. Thus, passing through the wave plate 6 introduces a phase shift that compensates for the phase shift introduced by the radial polarization converter for each of the wavelengths.

図4は、デカルト系から円柱系に向かって伝播する向きにおける多様な偏光状態に対する本発明による偏光変換器の効果を略図的に示している。   FIG. 4 schematically shows the effect of the polarization converter according to the invention on various polarization states in the direction of propagation from a Cartesian system to a cylindrical system.

図4Aは、本発明の変換器7を通過する効果を、直線偏光され、かつ変換器7の入力デカルト面の固有軸と平行に整列された入射ビームについて示しており、この入射ビームは、一様な空間偏光状態分布を有する(垂直の矢印によって変換器の左側に図式的に表現されている)。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Zの、直線偏光され、かつ空間偏光状態分布がラジアル状のビーム(変換器の右側に図式的に表現されている)が得られる。   FIG. 4A shows the effect of passing through the transducer 7 of the present invention for an incident beam that is linearly polarized and aligned parallel to the natural axis of the input Cartesian surface of the transducer 7. Having a spatial distribution of spatial polarization (represented schematically on the left side of the transducer by a vertical arrow). At the output of the converter 7 on the cylindrical system side, a linearly polarized beam with a spatial polarization state distribution (shown schematically on the right side of the converter) in FIG. 4Z is obtained.

図4Bは、直線偏光され、かつ変換器7の入力デカルト面の固有軸に対して垂直に整列された入射ビームの変換を示しており、この入射ビームは、一様な空間偏光状態分布を有する(水平の矢印によって変換器の左側に図式的に表現されている)。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Yの、直線偏光され、かつ空間偏光状態分布がアジマス方向となるビームが得られる。   FIG. 4B shows the transformation of an incident beam that is linearly polarized and aligned perpendicular to the natural axis of the input Cartesian surface of the transducer 7, which has a uniform spatial polarization state distribution. (Schematically represented on the left side of the transducer by a horizontal arrow). At the output of the converter 7 on the cylindrical system side, the beam of FIG. 4Y that is linearly polarized and whose spatial polarization state distribution is in the azimuth direction is obtained.

図4Cは、直線偏光され、かつ変換器7の入力デカルト面の固有軸に対して45度に傾斜された入射ビームの変換を図式的に示している(すなわち、平行(図4A)および垂直(図4B)偏光の線形結合)。「円柱」系側となる変換器3の出力においては、図4Xの、直線偏光状態を伴うビームが得られ、その偏光状態分布は、局所的なラジアル軸に対して45度に傾斜された直線偏光である。図4Cのビームの、変換器7の出力における空間偏光状態分布は、回転対称性を有している。これは実際に、円柱回転対称性を伴う偏光ビーム(CVビーム)である。   FIG. 4C schematically shows the transformation of an incident beam that is linearly polarized and tilted at 45 degrees with respect to the natural axis of the input Cartesian plane of the transducer 7 (ie parallel (FIG. 4A) and perpendicular ( FIG. 4B) Linear combination of polarization). At the output of the transducer 3 on the “cylindrical” system side, the beam with the linear polarization state of FIG. 4X is obtained, and the polarization state distribution is a straight line inclined at 45 degrees with respect to the local radial axis. Polarized light. The spatial polarization state distribution at the output of the transducer 7 of the beam of FIG. 4C has rotational symmetry. This is actually a polarized beam (CV beam) with cylindrical rotational symmetry.

図4Dは、円偏光入射ビーム(すなわち、平行直線偏光状態と垂直直線偏光状態の間における位相シフトによる線形結合)の変換を図式的に示している。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Wの、円偏光され、かつ回転対称性を有するビームが得られる。したがって、これは実際に、円柱回転対称性を伴う偏光ビーム(CVビーム)である。   FIG. 4D schematically illustrates conversion of a circularly polarized incident beam (ie, linear combination due to phase shift between parallel linear polarization state and vertical linear polarization state). At the output of the transducer 7 on the cylindrical system side, a circularly polarized beam having rotational symmetry as shown in FIG. 4W is obtained. Therefore, this is actually a polarized beam (CV beam) with cylindrical rotational symmetry.

図4Eは、楕円の主軸が変換器7の入力デカルト面の固有軸に従って整列された楕円偏光状態を有する入射ビームの変換を図式的に示している。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Vの楕円偏光ビームが得られる。この偏光状態の空間分布は、楕円の主軸がラジアル方向に従って局所的に整列されたものとなる。変換器7の通過が位相シフトを引き起こさないことから、楕円偏光状態が変更されず、空間分布のみ、すなわち楕円の向きのみが変更される。これにおいても再び、光軸に関して円柱対称の偏光状態分布を有する図4Vのビーム(CVビーム)が得られる。   FIG. 4E schematically illustrates the transformation of an incident beam having an elliptical polarization state in which the major axis of the ellipse is aligned according to the natural axis of the input Cartesian surface of the transducer 7. At the output of the converter 7 on the cylindrical system side, the elliptically polarized beam of FIG. 4V is obtained. The spatial distribution of this polarization state is such that the principal axes of the ellipses are locally aligned according to the radial direction. Since the passage through the transducer 7 does not cause a phase shift, the elliptical polarization state is not changed, only the spatial distribution, ie only the direction of the ellipse, is changed. Again, the beam of FIG. 4V (CV beam) having a polarization state distribution which is cylindrically symmetric with respect to the optical axis is obtained.

図4Fは、楕円の主軸が変換器7の入力デカルト面の固有軸に対して横向きの楕円偏光状態を有する入射ビームの変換を図式的に示している。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Uの楕円偏光ビームが得られる。この偏光状態の空間分布は、楕円の主軸がアジマス方向に従って局所的に整列されたものとなる。変換器7の通過が位相シフトを引き起こさないことから、楕円偏光状態が変更されず、空間分布のみ、すなわち楕円の向きのみが変更される。これもまた光軸に関して円柱対称の偏光状態分布を有する図4Uのビーム(CVビーム)が得られる。   FIG. 4F schematically illustrates the conversion of an incident beam having an elliptical polarization state in which the major axis of the ellipse is transverse to the natural axis of the input Cartesian surface of the transducer 7. At the output of the converter 7 on the cylindrical system side, the elliptically polarized beam shown in FIG. 4U is obtained. The spatial distribution of the polarization state is such that the main axis of the ellipse is locally aligned according to the azimuth direction. Since the passage through the transducer 7 does not cause a phase shift, the elliptical polarization state is not changed, only the spatial distribution, ie only the direction of the ellipse, is changed. This also gives the beam of FIG. 4U (CV beam) having a cylindrically symmetric polarization state distribution with respect to the optical axis.

最後の図4Gは、楕円の主軸が変換器7の入力デカルト面の固有軸に対して45度に傾斜された楕円偏光状態を有する入射ビームの変換を図式的に示している。円柱系側となる変換器7の出力においては、図4Tの楕円偏光ビームが得られる。この偏光状態の空間分布は、楕円の主軸がラジアル方向に対して局所的に45度に傾斜されたものとなる。変換器7の通過が位相シフトを引き起こさないことから、楕円偏光状態が変更されず、空間分布のみ、すなわち楕円の向きのみが変更される。これもまた光軸に関して円柱対称の偏光状態分布を有する図4Tのビーム(CVビーム)が得られる。   Finally, FIG. 4G schematically illustrates the conversion of an incident beam having an elliptical polarization state in which the major axis of the ellipse is tilted at 45 degrees with respect to the natural axis of the input Cartesian surface of the transducer 7. At the output of the converter 7 on the cylindrical system side, the elliptically polarized beam shown in FIG. 4T is obtained. The spatial distribution of the polarization state is such that the main axis of the ellipse is locally inclined at 45 degrees with respect to the radial direction. Since the passage through the transducer 7 does not cause a phase shift, the elliptical polarization state is not changed, only the spatial distribution, ie only the direction of the ellipse, is changed. This also yields the beam of FIG. 4T (CV beam) having a polarization state distribution that is cylindrically symmetric with respect to the optical axis.

このように、本発明に従った変換器が、直線、円、または楕円偏光状態についてのビームの偏光状態を、それが変換器7のデカルト面の固有軸に対してどのように傾斜されている場合であっても維持することが観察される。また、本発明の変換器システムが、入射ビームの偏光状態がどのようなものであっても、円柱対称の空間偏光状態分布を伴うビームの生成を可能にすることも観察される。   Thus, the transducer according to the invention tilts the polarization state of the beam for a linear, circular or elliptical polarization state with respect to the natural axis of the Cartesian plane of the transducer 7 It is observed to maintain even in cases. It is also observed that the transducer system of the present invention allows the generation of a beam with a cylindrically symmetric spatial polarization state distribution whatever the polarization state of the incident beam.

より一般的に言えば、この偏光変換器は、何らかの一様な偏光状態を有するビームから、光軸10に関して円柱対称の偏光状態分布を伴うビームへの切り換えを可能にする。   More generally speaking, this polarization converter allows switching from a beam having some uniform polarization state to a beam with a cylindrically symmetric polarization state distribution with respect to the optical axis 10.

好都合なことには、波長板6が、互いに平行であるがラジアル偏光変換器の第1の層に対して垂直に向けられた液晶の層からなり、この波長板がラジアルおよびアジマス変換器のデカルト面の側に配され、そのことが、位相シフトの完全に無彩色な補正を得ることを可能にする。   Conveniently, the wave plate 6 consists of a layer of liquid crystal parallel to each other but oriented perpendicular to the first layer of the radial polarization converter, which wave plate is a Cartesian of the radial and azimuth converter. Arranged on the side of the surface, which makes it possible to obtain a completely achromatic correction of the phase shift.

図5は、デカルト−円柱変換器の双方向動作を示している。伝播の第1の向きにおいては、空間的に一様な偏光状態分布を有するビーム8が波長板6上に指向され、その後、ラジアル変換器3のデカルト面3a上に指向される。ビーム8は、ラジアル偏光変換器3を通過した後、光軸10に関して円柱対称の偏光状態を有するビームの形式で出て行く。それとは反対の伝播の向きにおいては、光軸10に関して円柱対称の偏光状態分布を有するビーム9がラジアル変換器3の回転対称面3b上に指向される。ビーム9は、ラジアル偏光変換器3および波長板6を通過した後、ラジアル変換器3によって導入された位相シフトを波長板6が正確に補償することから、空間的に一様な偏光状態を有するビームの形式で出て行く。   FIG. 5 shows the bidirectional operation of the Cartesian-to-cylinder converter. In the first direction of propagation, a beam 8 having a spatially uniform polarization state distribution is directed onto the wave plate 6 and then directed onto the Cartesian plane 3 a of the radial converter 3. After passing through the radial polarization converter 3, the beam 8 exits in the form of a beam having a cylindrically symmetric polarization state with respect to the optical axis 10. In the opposite propagation direction, a beam 9 having a cylindrically symmetric polarization state distribution with respect to the optical axis 10 is directed onto the rotationally symmetric surface 3 b of the radial converter 3. After passing through the radial polarization converter 3 and the wave plate 6, the beam 9 has a spatially uniform polarization state because the wave plate 6 accurately compensates for the phase shift introduced by the radial converter 3. Go out in the form of a beam.

相互性によって、本発明の偏光変換器7は、光軸10に関して円柱対称の偏光状態分布を有するビーム(または、一般化されたCVビーム)から一様な偏光状態分布を有するビームへの変換を可能にする。それに加えて、ビームの偏光状態が、偏光変換器7を通過する間にわたって維持され、それの空間分布だけが変更される。   By reciprocity, the polarization converter 7 of the present invention converts a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution with respect to the optical axis 10 (or a generalized CV beam) to a beam having a uniform polarization state distribution. to enable. In addition, the polarization state of the beam is maintained while passing through the polarization converter 7 and only its spatial distribution is changed.

本発明の偏光変換器システムは、したがって、空間偏光状態分布の全単射変換器である。伝播の1つの向きにおいて、変換器7は、一様な空間分布を有する偏光状態から、同一の偏光状態の円柱対称な空間分布への切り換えを可能にする。それとは反対の伝播の向きにおいて、変換器7は、空間分布が円柱対称である偏光状態を有するビームから、同一の偏光状態の空間的に一様な分布を有するビームへの切り換えを可能にする。   The polarization converter system of the present invention is therefore a bijective converter with a spatial polarization state distribution. In one direction of propagation, the transducer 7 allows switching from a polarization state having a uniform spatial distribution to a cylindrically symmetric spatial distribution of the same polarization state. In the opposite propagation direction, the transducer 7 allows switching from a beam having a polarization state whose spatial distribution is cylindrically symmetric to a beam having a spatially uniform distribution of the same polarization state. .

本発明のシステムは、このように、入射ビームの偏光状態とは独立して、偏光状態の空間分布を変更することを可能にする。   The system of the present invention thus makes it possible to change the spatial distribution of the polarization state independently of the polarization state of the incident beam.

本発明のシステムは、何らかの偏光状態を有し、かつ一様な偏光状態分布のビームから、同じ偏光状態の円柱対称の分布を伴うビームへの変換を可能にする。   The system of the present invention allows conversion from a beam with some polarization state and a uniform polarization state distribution to a beam with a cylindrical symmetry distribution of the same polarization state.

本発明の偏光変換器システムは、デカルト座標において一様な偏光分布を有するビームから円柱対称偏光状態分布を有するビームへの変換のための伝播の向きのみにおいて動作するわけではない。   The polarization converter system of the present invention does not operate only in the direction of propagation for conversion from a beam having a uniform polarization distribution in Cartesian coordinates to a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution.

本発明のシステムは、他方の光の伝播の向きにおいて、円柱対称偏光状態分布を有するビームから、その円柱対称の空間分布の入射ビームの偏光状態がどのようなものであっても、それと同じ偏光状態の、デカルト系において一様な分布を有するビームへの変換をも可能にするという利点を提供する。   The system of the present invention has the same polarization regardless of the polarization state of an incident beam having a cylindrically symmetric spatial distribution from a beam having a cylindrically symmetric polarization state distribution in the other light propagation direction. It offers the advantage of also allowing the conversion of the state into a beam with a uniform distribution in a Cartesian system.

したがって、同一の変換器7を、伝播の2つの向きにおいて使用することが可能である。   It is therefore possible to use the same transducer 7 in two directions of propagation.

本発明の偏光変換器システムは、このように、直線偏光状態のラジアル分布またはアジマス分布に限定されない偏光状態分布を有するビームを生成することを可能にする。それどころかこのシステムは、非ゼロのラジアル成分および非ゼロのアジマス成分を包含する偏光状態の任意の線形組み合わせを生成することを可能にする。ラジアル成分とアジマス成分の間における遅れがゼロであるとき、結果として得られる偏光状態は直線偏光状態のままとどまり、それの空間分布は円柱対称とすることができ、偏光軸の向きは、ラジアルでもなく、また正放線でもないが、ビーム内の局所的な位置によらずラジアル方向に対して一定の角度で傾斜されている。ラジアル成分とアジマス成分の間における遅れがπ/2に等しいとき、結果として得られる偏光状態は円偏光状態になる(それの空間分布は、一様および円柱対称の両方である)。ラジアル成分とアジマス成分の間における遅れがゼロより高く、かつπ/2より低いとき、結果として得られる偏光状態は楕円偏光状態となり、それの空間分布は円柱対称であり、楕円軸は、ビーム内の局所的な位置によらず、局所的なラジアル方向に対して一定の角度で傾斜されている。   The polarization converter system of the present invention thus makes it possible to generate a beam with a polarization state distribution that is not limited to a linear or azimuth distribution of linear polarization states. On the contrary, this system makes it possible to generate any linear combination of polarization states including non-zero radial components and non-zero azimuth components. When the delay between radial and azimuth components is zero, the resulting polarization state remains linearly polarized, its spatial distribution can be cylindrically symmetric, and the polarization axis orientation is radial Neither is it a normal ray, but it is inclined at a constant angle with respect to the radial direction regardless of the local position in the beam. When the delay between the radial and azimuth components is equal to π / 2, the resulting polarization state is a circular polarization state (its spatial distribution is both uniform and cylindrically symmetric). When the delay between the radial and azimuth components is greater than zero and less than π / 2, the resulting polarization state is an elliptical polarization state, whose spatial distribution is cylindrically symmetric and the ellipse axis is It is inclined at a constant angle with respect to the local radial direction regardless of the local position.

何らかの偏光状態について伝播の2つの向きにおいて動作できるという本発明のシステムの能力は、非常に興味深い応用を可能にする。   The ability of the system of the present invention to operate in two directions of propagation for any polarization state allows for very interesting applications.

たとえば、反射型(または透過型)顕微鏡法の応用においては、復路が、極座標からデカルト座標への逆変換を行なうことを可能にする。したがって、その種の応用においては、このシステムの二重通過が、往路および復路の両方においてラジアル変換器のみによって導入される位相シフトを補償すること、およびシステムを無彩色とすることを可能にする。   For example, in reflection (or transmission) microscopy applications, the return path allows the inverse transformation from polar coordinates to Cartesian coordinates. Thus, in such applications, the double pass of this system allows to compensate for the phase shift introduced only by the radial converter in both the forward and return paths, and make the system achromatic. .

本発明のシステムは、したがって、対物鏡の全開口率N.A.を通じて円柱対称の良好にコントロールされた偏光状態を有する一方、1.22λ/N.A.のラテラル分解能を維持する撮像デバイス(たとえば、顕微鏡)を作ることを可能にする。   The system of the present invention therefore provides a total aperture ratio N.I. A. While having a well-controlled polarization state of cylindrical symmetry through 1.22λ / N. A. It is possible to make an imaging device (for example, a microscope) that maintains a lateral resolution of.

最後に、この新しい構成要素7を通過する光ビームの偏光状態がどのようなものであっても、偏光状態分布のデカルト基底と偏光状態分布の極基底の間において総合的な変換または全単射が生み出される。   Finally, no matter what the polarization state of the light beam passing through this new component 7 is, there is a comprehensive conversion or bijection between the Cartesian basis of the polarization state distribution and the polar basis of the polarization state distribution. Is produced.

ねらいとする応用では、好ましくは、変換の特徴記述が可能となるように、空間的に均質な偏光された光が使用される。   In the intended application, preferably spatially homogeneous polarized light is used so that the transformation can be characterized.

上で述べたとおり、空間的に不均質であり、かつ円柱対称の偏光された光のビームを、特性が回転対称性を有する光学システム(レンズ、顕微鏡の対物鏡)内において使用することが、いくつかの応用にとって重要であることを強調した。したがって、視野絞りまたは開口絞り、より一般的には空間またはスペクトル・フィルタを伴って、または伴わずにその種の光学システムに結合される上で述べたような構成要素が企図されていることは自然である。   As stated above, the use of a spatially inhomogeneous and cylindrically symmetric polarized light beam in an optical system (lens, microscope objective) whose properties are rotationally symmetric, Emphasized that it is important for some applications. Accordingly, it is contemplated that components such as those described above that are coupled to such optical systems with or without a field or aperture stop, more generally with or without a spatial or spectral filter, are contemplated. Is natural.

図6は、本発明の別の有利な実施態様を示している。より詳細に述べれば、図6は、本発明に従った偏光変換器システム7が組み込まれるように修正された顕微鏡の対物鏡を示している。この対物鏡は、レンズ光学システム4および、標準的な顕微鏡の対物鏡に代えてそれの取り付けが可能となるように機械的な取り付け具を備えている。   FIG. 6 shows another advantageous embodiment of the invention. More particularly, FIG. 6 shows a microscope objective modified to incorporate a polarization converter system 7 according to the present invention. This objective includes a lens optical system 4 and a mechanical fixture so that it can be attached in place of a standard microscope objective.

より一般的に述べれば、焦点偏光変換器システムが、光学レンズと結合されるデカルト−円柱偏光変換器7を備え、レンズは、当該偏光変換器の前または後、すなわち変換器7の円柱系側に配置される。この光学システムは、デカルト基底における偏光状態分布と極基底における(より一般的な場合においては、空間的に均質でない)偏光状態分布の間の全単射を操作することを可能にする。   More generally, the focus polarization converter system comprises a Cartesian-cylindrical polarization converter 7 coupled with an optical lens, which is in front of or behind the polarization converter, ie the cylindrical system side of the converter 7. Placed in. This optical system makes it possible to manipulate the bijection between the polarization state distribution at the Cartesian basis and the polarization state distribution at the polar basis (in the more general case, spatially inhomogeneous).

次に、特定の実施態様に従ったデカルト−円柱変換器の詳細な例を説明する。この特定の実施態様の例は、エーアールシーオプティクス・カンパニー(Arcoptix Company)によって提供されているラジアルおよびアジマス偏光変換器構成要素3の使用に基づいており、それの原理は、ストールダー(Stalder)およびシャット(Schadt)の発表の中で述べられているものである。ラジアル偏光に変換される波とアジマス偏光に変換される波の間における光路差は、3285nmに近いことが明らかになっている。この光路差は、構成要素全体にわたって一様である。クオーツ複屈折板6が、ラジアルおよびアジマス変換器全体の正面に配置されている。クオーツ板の厚さDは、それの位相差もまた3285nmとなるように選択される。クオーツの通常屈折率と異常屈折率の間における差Δnは、一般にΔn=0.00925であり、Dは、D×Δn=3285nmとなるように選択され、それによりD=355nmが与えられる。この波長板が、ラジアル変換器のデカルト面の側に配置され、波長板の遅相軸がラジアル/アジマス変換器のデカルト面の進相軸と一致するように向けられる。したがって、2つの成分の位相差が互いに補償される。   A detailed example of a Cartesian-cylindrical converter according to a specific embodiment will now be described. An example of this particular embodiment is based on the use of the radial and azimuth polarization converter component 3 provided by the Aroptix Company, the principle of which is the Staller and It is mentioned in the announcement of Schadt. It has been found that the optical path difference between the wave converted to radial polarization and the wave converted to azimuth polarization is close to 3285 nm. This optical path difference is uniform across the components. A quartz birefringent plate 6 is disposed in front of the entire radial and azimuth transducer. The thickness D of the quartz plate is selected so that its phase difference is also 3285 nm. The difference Δn between the normal and extraordinary refractive indices of quartz is generally Δn = 0.00925, and D is chosen to be D × Δn = 3285 nm, thereby giving D = 355 nm. This wave plate is arranged on the side of the Cartesian surface of the radial converter and is oriented so that the slow axis of the wave plate coincides with the fast axis of the Cartesian surface of the radial / azimuth converter. Therefore, the phase difference between the two components is compensated for each other.

図7に示されている実線の曲線は、エーアールシーオプティクス(Arcoptix)の構成要素によってラジアル偏光に変換される波とアジマス偏光に変換される波の間における位相シフトχの測定値に対応し、波長λの関数として示されている。表わされている量は、cosχである。位相差δは、次の公式の適用によって3285nmとして評価される。
χ=2×π×δ/π
The solid curve shown in FIG. 7 corresponds to a measurement of the phase shift χ between the wave converted to radial polarization and the wave converted to azimuth polarization by the components of Aroptix, It is shown as a function of wavelength λ. The amount represented is cosχ. The phase difference δ is estimated as 3285 nm by applying the following formula:
χ = 2 × π × δ / π

図7はまた、波長の関数として示した、厚さ355μmのクオーツ板6の複屈折に起因する位相シフトχ’に関連付けられた曲線、cos(2×π×D×Δn/λ)に対応する破線の曲線も示している。   FIG. 7 also corresponds to the curve, cos (2 × π × D × Δn / λ), shown as a function of wavelength, associated with the phase shift χ ′ due to the birefringence of the 355 μm thick quartz plate 6. A dashed curve is also shown.

図8は、量χ−2×π×D×Δn/λを波長の関数として示している。この曲線は、ここで呈示した本発明の特定の実施態様に従って組み立てることによって、ラジアル偏光に変換される波とアジマス偏光に変換される波の間における位相シフトに関連付けされる。ラジアンで表わされたこの角度が広いスペクトル範囲にわたって低くとどまることが観察され、このことは、ラジアル偏光に変換される波とアジマス偏光に変換される波の間における位相シフトが実用上ゼロであることを明らかにしている。続いてこの特性から、本発明のこの実施態様に従った偏光変換器7が、何らかの偏光状態の空間分布を変更して、空間的に一様な分布から円柱対称の分布に切り換えること、およびその逆を行なうことを、ビームの偏光状態の変更を伴わずに可能にするということが樹立され得る。   FIG. 8 shows the quantity χ−2 × π × D × Δn / λ as a function of wavelength. This curve is related to the phase shift between the wave converted to radial polarization and the wave converted to azimuth polarization by assembling according to the particular embodiment of the invention presented here. It has been observed that this angle, expressed in radians, remains low over a wide spectral range, which means that the phase shift between waves converted to radial and azimuth polarization is practically zero. It is made clear. Subsequently, from this characteristic, the polarization converter 7 according to this embodiment of the invention changes the spatial distribution of any polarization state to switch from a spatially uniform distribution to a cylindrically symmetric distribution, and It can be established that it is possible to do the reverse without changing the polarization state of the beam.

企図されている応用は、偏光の完全なコントロールが困難な回転対称性を有する特性を必要とする光学システムに関係する。光ファイバと結合される本発明のデカルト−円柱偏光変換器システムの使用は、ファイバの入力における偏光状態を維持することを可能にし、偏光維持光ファイバの使用を回避する。   The contemplated application involves optical systems that require properties with rotational symmetry that make it difficult to completely control the polarization. The use of the Cartesian-to-cylindrical polarization converter system of the present invention coupled with an optical fiber makes it possible to maintain the polarization state at the fiber input and avoids the use of polarization maintaining optical fibers.

顕微鏡法におけるデカルト−円柱偏光変換器の使用は、したがって、以下のことを可能にする。
− 干渉コントラスト顕微鏡において画像コントラストの改善を得ること。
− ブリュースター角における観察をより利用しやすくすること。実際、既存のブリュースター角顕微鏡は、物理的に分離された照明アームおよび集光アームを有している。この種の構成要素の使用は、よりコンパクトな設計、より良好な画像(視野深度問題がない)、およびより高い視感度を可能にすることになる。
− 対物鏡の出力において、たとえば投射の環または角度を選択すること。
The use of a Cartesian to cylindrical polarization converter in microscopy thus allows:
-Obtaining improved image contrast in an interference contrast microscope.
-Making observations at the Brewster angle more accessible. In fact, existing Brewster angle microscopes have an illumination arm and a focusing arm that are physically separated. The use of this type of component will allow for a more compact design, better images (no depth of field issues), and higher visibility.
At the output of the objective, for example to select the projection ring or angle.

本発明の円柱偏光変換器は、デカルト基底で表わされた偏光状態の分布と極基底で表わされた回転対称性を伴う偏光状態の分布の間において全単射を操作することを可能にする。   The cylindrical polarization converter of the present invention makes it possible to manipulate bijection between the distribution of polarization states expressed in Cartesian basis and the distribution of polarization states with rotational symmetry expressed in polar basis. To do.

より詳細に述べれば、本発明の偏光変換器は、何らかの偏光状態の空間分布を変更して、空間的に一様な分布から円柱対称の分布に切り換えること、およびその逆を行なうことを、ビームの偏光状態の変更を伴わずに可能にする。したがって、ビームの偏光状態がどのようなものであっても、すなわち、直線、円、または楕円であっても、また、この偏光状態の横断する向きが変換器の固有軸に関してどのように向いていても、双方向で動作する偏光状態の保存を伴う空間偏光状態分布変換器が得られる。   More specifically, the polarization converter of the present invention changes the spatial distribution of any polarization state to switch from a spatially uniform distribution to a cylindrically symmetric distribution and vice versa. Without changing the polarization state. Therefore, whatever the polarization state of the beam is, i.e. straight, circle or ellipse, and how the transverse direction of this polarization state is oriented with respect to the natural axis of the transducer However, it is possible to obtain a spatial polarization state distribution converter with polarization state preservation that operates in both directions.

本発明は、円柱対称性を有する光学媒体内において偏光ビームの使用が望まれるあらゆる分野に応用を見出す。特に、本発明は、偏光顕微鏡法、マイクロ楕円偏光法、顕微鏡的分解能楕円偏光法、マイクロ楕円偏光法像形成等々の応用に照準される。   The present invention finds application in all fields where the use of a polarized beam is desired in an optical medium having cylindrical symmetry. In particular, the present invention is aimed at applications such as polarization microscopy, micro ellipsometry, microscopic resolution ellipsometry, micro ellipsometry imaging, and the like.

本発明はまた、そのほかの分野、たとえば対称性が円柱タイプである光ファイバにも適用され、たとえば、一般化された円柱対称性の偏光状態分布を伴う偏光された光ビームを光ファイバに結合する。   The invention also applies to other fields, such as optical fibers that are cylindrically symmetric, for example, combining a polarized light beam with a generalized cylindrically symmetric polarization state distribution into the optical fiber. .

3 ラジアル偏光変換器、ラジアル変換器、ラジアルおよびアジマス変換器、ラジアルおよびアジマス偏光変換器構成要素
3a 面、入力面、デカルト面
3b 面、回転対称面
4 レンズ、焦点レンズ、レンズ光学システム
5 標本
6 波長板、板、クオーツ複屈折板、クオーツ板
7 光学偏光変換器システム、変換器、偏光変換器、偏光変換器システム、デカルト−円柱偏光変換器
8 一様な偏光ビーム、ビーム
9 ビーム
10 光軸
3 Radial polarization converter, radial converter, radial and azimuth converter, radial and azimuth polarization converter component 3a surface, input surface, Cartesian surface 3b surface, rotationally symmetric surface 4 lens, focus lens, lens optical system 5 sample 6 Wave plate, plate, quartz birefringence plate, quartz plate 7 optical polarization converter system, converter, polarization converter, polarization converter system, Cartesian-cylindrical polarization converter 8 uniform polarization beam, beam 9 beam 10 optical axis

Claims (10)

伝播の第1の向きにおいて、一様な空間偏光状態分布を有するビームを一般化された円柱対称の空間偏光状態分布を有するビームに変換することが可能な双方向デカルト−円柱空間偏光状態分布変換器(7)であって、前記デカルト−円柱変換器(7)は、伝播の第2の向きにおいて、一般化された円柱対称の空間偏光状態分布を有するビームを一様な空間偏光状態分布を有するビームに変換することが可能であり、前記デカルト−円柱変換器(7)が、
− 対称軸(10)を有するラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)であって、空間的に一様な偏光分布の直線偏光ビームを受け取り、それを、ラジアルまたはアジマス対称の偏光分布を有するビームに変換することが可能なラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)と、
− 前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)によって引き起こされた位相差を補償するための光学手段(6)であって、前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)によって導入された位相シフトχの大きさを補償するように、−χに等しい大きさの空間的に一様な位相シフトを導入することが可能な光学補償手段(6)と、
を備えている、デカルト−円柱空間偏光状態分布変換器(7)。
Bidirectional Cartesian-cylindrical spatial polarization state distribution transformation capable of converting a beam with a uniform spatial polarization state distribution into a beam with a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state distribution in a first direction of propagation A Cartesian-to-cylinder converter (7) for converting a beam having a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state distribution into a uniform spatial polarization state distribution in a second direction of propagation. The Cartesian-to-cylinder converter (7)
A radial and azimuth polarization converter (3) having an axis of symmetry (10), receiving a linearly polarized beam with a spatially uniform polarization distribution and converting it into a beam with a radial or azimuth symmetric polarization distribution; A radial and azimuth polarization converter (3) capable of conversion;
An optical means (6) for compensating for the phase difference caused by the radial and azimuth polarization converter (3), the magnitude of the phase shift χ introduced by the radial and azimuth polarization converter (3); Optical compensation means (6) capable of introducing a spatially uniform phase shift of magnitude equal to -χ so as to compensate for
A Cartesian-cylindrical spatial polarization state distribution converter (7).
前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)が、第1のデカルト対称面(3a)および第2の円柱対称面(3b)を備えていること、および偏光の固有軸を有する前記光学補償手段(6)が、前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)の前記デカルト面(3a)の側に配され、前記光学補償手段(6)の前記固有軸が前記デカルト面(3a)の固有軸について整列されることを特徴とする、請求項1に記載のデカルト−円柱空間偏光状態分布変換器(7)。   The radial and azimuth polarization converter (3) comprises a first Cartesian symmetry plane (3a) and a second cylindrical symmetry plane (3b), and the optical compensation means (6 ) Is arranged on the Cartesian surface (3a) side of the radial and azimuth polarization converter (3), and the natural axis of the optical compensation means (6) is aligned with respect to the natural axis of the Cartesian surface (3a). The Cartesian-cylindrical spatial polarization state distribution converter (7) according to claim 1, characterized by: 前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)が、液晶のレクティリニア整列を伴う第1の面(3a)および同心円での液晶の整列を伴う第2の面(3b)を有する液晶変換器を備えていることを特徴とする、請求項1または2に記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)。   The radial and azimuth polarization converter (3) comprises a liquid crystal converter having a first surface (3a) with liquid crystal alignment and a second surface (3b) with concentric liquid crystal alignment. Cartesian to cylindrical polarization converter (7) according to claim 1 or 2, characterized in that 前記光学補償手段(6)が、2つの固有軸を伴う複屈折板を備え、前記複屈折板が、それの固有軸に従って向き付けされた直線偏光の間の位相差を導入することが可能であり、前記複屈折板が、前記ラジアルおよびアジマス変換器(3)の前記第1のデカルト面(3a)の側に配されることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)。   It is possible that the optical compensation means (6) comprises a birefringent plate with two eigen axes, the birefringent plate introducing a phase difference between linearly polarized light oriented according to its eigen axes. The birefringent plate is arranged on the first Cartesian surface (3a) side of the radial and azimuth converter (3), according to any one of claims 1 to 3. Cartesian to cylindrical polarization converter (7). 前記複屈折板が、波長範囲にわたってこのデカルト−円柱偏光変換器を無彩色とするように、前記波長範囲にわたって前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器の前記位相差を補償することが可能な厚さを有することを特徴とする、請求項4に記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)。   The birefringent plate has a thickness capable of compensating for the phase difference of the radial and azimuth polarization converters over the wavelength range such that the Cartesian-cylindrical polarization converter is achromatic over the wavelength range. Cartesian to cylindrical polarization converter (7) according to claim 4, characterized in that. 前記光学補償手段(6)が液晶セルを備えていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)。   The Cartesian-cylindrical polarization converter (7) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the optical compensation means (6) comprises a liquid crystal cell. 請求項1乃至6のいずれかに記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)を備えている光学システムであって、少なくとも1つの偏光ビーム分割フィルタを備えていることを特徴とする、光学システム。   An optical system comprising a Cartesian-cylindrical polarization converter (7) according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one polarization beam splitting filter. 請求項1乃至6のいずれかに記載のデカルト−円柱偏光変換器(7)を備えている光学システムであって、前記ラジアル偏光変換器(3)の前記対称軸(10)上に中心設定される少なくとも1つの光学レンズ(4)を備え、前記レンズ(4)が前記ラジアル変換器(3)の前記円柱面(3b)の側に配されることを特徴とする、光学システム。   An optical system comprising a Cartesian-cylindrical polarization converter (7) according to any of claims 1 to 6, centered on the axis of symmetry (10) of the radial polarization converter (3). An optical system comprising: at least one optical lens (4), wherein the lens (4) is disposed on the cylindrical surface (3b) side of the radial converter (3). 請求項1乃至6のいずれかに記載のデカルト−円柱偏光変換器および顕微鏡上において固定されるべく適合された機械的な取り付け具を備えているデカルト−円柱偏光状態変換器顕微鏡対物鏡。   A Cartesian-cylinder polarization state converter microscope objective comprising the Cartesian-cylinder polarization converter according to any of claims 1 to 6 and a mechanical fixture adapted to be fixed on the microscope. ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)、および前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)によって引き起こされたラジアルとアジマスの偏光の間における位相差を補償するための光学手段(6)であって、前記ラジアルおよびアジマス偏光変換器(3)によって導入された位相シフトχの大きさを補償するように、−χに等しい大きさの空間的に一様な位相シフトを導入することが可能な光学補償手段(6)を使用して、伝播の第1の向きにおいて、一様な空間偏光状態分布を有するビームを、同じ偏光状態の円柱対称の空間分布を有するビームに変換するか、かつ/または伝播の第2の向きにおいて、一般化された円柱対称の空間偏光状態分布を有するビームを同じ偏光状態を伴う一様な空間分布を有するビームに変換する、デカルト−円柱偏光変換の方法。   A radial and azimuth polarization converter (3), and optical means (6) for compensating for the phase difference between the radial and azimuth polarization caused by said radial and azimuth polarization converter (3), comprising: Optical compensation means capable of introducing a spatially uniform phase shift of a magnitude equal to -χ so as to compensate for the magnitude of the phase shift χ introduced by the radial and azimuth polarization converter (3) (6) is used to convert a beam having a uniform spatial polarization state distribution into a beam having a cylindrically symmetric spatial distribution of the same polarization state in the first direction of propagation and / or Transforming a beam having a generalized cylindrically symmetric spatial polarization state distribution into a beam having a uniform spatial distribution with the same polarization state in a second orientation; To-cylinder polarization conversion method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015532432A (en) * 2012-10-18 2015-11-09 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. Apparatus for analysis system, analysis system having the apparatus and method of using the apparatus

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103149640B (en) * 2013-03-06 2014-12-17 上海理工大学 Device and method for generating axisymmetric polarized light
CN104122666B (en) * 2014-08-14 2017-02-15 苏州大学 Generation device and generation method for self-split light beams
US20210239893A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Lawrence Livermore National Security, Llc Polarization manipulation of free-space electromagnetic radiation fields

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01205123A (en) * 1988-02-10 1989-08-17 Susumu Sato Liquid crystal element
JPH03179320A (en) * 1989-09-22 1991-08-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polarizing element and optical head device
JPH09184918A (en) * 1995-09-23 1997-07-15 Carl Zeiss:Fa Radiation polarizing optical structure and microlithography projection exposure device provided with the same
JP2001159751A (en) * 1999-09-24 2001-06-12 Susumu Sato Liquid crystal cell parameter detecting device
JP2007518211A (en) * 2004-01-16 2007-07-05 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Optical system
JP2007193025A (en) * 2006-01-18 2007-08-02 Nano Photon Kk Polarization control element, its manufacturing method and microscope
WO2008071822A1 (en) * 2006-12-15 2008-06-19 Universidad De Zaragoza Polarisation converter and focusing device based on said converter
WO2010004720A1 (en) * 2008-07-09 2010-01-14 国立大学法人 東京工業大学 Microspectroscope

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1447689B1 (en) * 1997-05-09 2012-08-22 Rolic AG Optical element comprising a structured retarder
AU2003242956A1 (en) 2002-06-28 2004-01-19 Technion Research And Development Foundation Ltd. Geometrical phase optical elements with space-variant subwavelength gratings
US20070019179A1 (en) * 2004-01-16 2007-01-25 Damian Fiolka Polarization-modulating optical element
US20070115551A1 (en) 2005-04-01 2007-05-24 Alexis Spilman Space-variant waveplate for polarization conversion, methods and applications
US7760431B2 (en) * 2005-05-05 2010-07-20 Intel Corporation Method of and apparatus for modifying polarity of light

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01205123A (en) * 1988-02-10 1989-08-17 Susumu Sato Liquid crystal element
JPH03179320A (en) * 1989-09-22 1991-08-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polarizing element and optical head device
JPH09184918A (en) * 1995-09-23 1997-07-15 Carl Zeiss:Fa Radiation polarizing optical structure and microlithography projection exposure device provided with the same
JP2001159751A (en) * 1999-09-24 2001-06-12 Susumu Sato Liquid crystal cell parameter detecting device
JP2007518211A (en) * 2004-01-16 2007-07-05 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Optical system
JP2007193025A (en) * 2006-01-18 2007-08-02 Nano Photon Kk Polarization control element, its manufacturing method and microscope
WO2008071822A1 (en) * 2006-12-15 2008-06-19 Universidad De Zaragoza Polarisation converter and focusing device based on said converter
WO2010004720A1 (en) * 2008-07-09 2010-01-14 国立大学法人 東京工業大学 Microspectroscope

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015532432A (en) * 2012-10-18 2015-11-09 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. Apparatus for analysis system, analysis system having the apparatus and method of using the apparatus

Also Published As

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